砂卵石地層深基坑開挖數(shù)值模擬研究

趙 濤，梁慶國，艾勝軍，姜懷祖，馬曉文，景文琪

(1. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730070；2. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 城軌工程學(xué)院， 陜西 渭南 714000；3. 中鐵二十一局集團軌道交通工程有限公司，濟南 250000)

為了適應(yīng)地下空間開發(fā)與交通隧道建設(shè)行業(yè)的發(fā)展需求，城市軌道交通工程的建設(shè)得到大力發(fā)展.目前，結(jié)合勘察設(shè)計、施工監(jiān)測和開通運營情況，對車站深基坑開挖的安全及穩(wěn)定性研究有了更加深刻的認識：基坑圍護結(jié)構(gòu)的水平位移、地表沉降和坑底隆起是現(xiàn)場施工中的重點監(jiān)測內(nèi)容[1-2].基坑開挖與臨近構(gòu)筑物之間的相互作用非常復(fù)雜，通過現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相互對比，能夠有效地評價基坑安全穩(wěn)定性[3-7].然而現(xiàn)場監(jiān)測工作受限于復(fù)雜的施工因素，而且現(xiàn)場施工與設(shè)計之間往往也會存在一定差別，這給基坑開挖帶來較高的風(fēng)險與挑戰(zhàn).

當(dāng)前，在深基坑開挖的安全穩(wěn)定性研究方面，由于有限元法能適用各種非均質(zhì)、各向異性材料以及眾多復(fù)雜邊界條件，可以借助其更好地解決非線性問題，因此有限元法在基坑開挖分析方面得到了廣泛應(yīng)用且取得了諸多重要成果[8-10].砂卵石地層結(jié)構(gòu)因其顆粒間空隙大而無粘聚力、地層反應(yīng)靈敏等特點，與粘性土地層相比，砂卵石地層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)不夠穩(wěn)定[11-13]，可見砂卵石地層深基坑的工程特性研究對其周邊構(gòu)筑物安全意義重大.李建偉等[14]采用均勻設(shè)計與有限元相結(jié)合的方法，對砂卵石深基坑工程進行了實例驗證，并證實了該方法對參數(shù)的可辨識性.由于基坑開挖是地層結(jié)構(gòu)損失的一種形式，引起基坑支護結(jié)構(gòu)變形及地面沉降等具有偶然性，會給砂卵石地層帶來巨大的施工安全風(fēng)險.鑒于此，本文基于MIDAS GTS NX軟件，開展砂卵石地層深基坑的開挖及支護的數(shù)值模擬，分析基坑開挖過程中的地層位移、支護結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力分布特性，以期為基坑開挖及支護安全施工提供理論支撐.

1 工程概況

該地鐵車站總長613.1 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬21.3 m，頂板覆土厚2.8～3.5 m，基坑深度17～19 m，主體沿南北向敷設(shè)，道路寬約40 m.車站西側(cè)主要有住宅樓、五斗渠和電力隧道等.車站共設(shè)4個出入口，2個消防疏散口，4個風(fēng)亭組，車站兩端設(shè)置雙線盾構(gòu)始發(fā)井.

1.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

表1 土層分布情況

地勘資料顯示場地地下水主要為：賦存于黏性土層之上填土層中的上層滯水、第四系砂、卵石層的孔隙潛水和基巖裂隙水等.在豐水期～平水期進行的詳勘表明：地下水位埋深為5.5～7.5 m.

1.2 基坑開挖及支護結(jié)構(gòu)

深基坑現(xiàn)場專項施工方案已經(jīng)過專家組充分論證符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，基坑開挖及支護遵循“分層分段開挖、隨挖隨撐、支挖結(jié)合”的原則.基坑周邊圍護結(jié)構(gòu)選用Φ1.2 m @1.5 m的鉆孔灌注樁，埋入坑底深4 m，總長21.7 m.橫向內(nèi)支撐包括1道混凝土支撐和2道鋼支撐，其中第一道混凝土支撐截面為1.0 m×1.0 m，第二、三道鋼管支撐截面為Φ609 mm、

t=16 mm.各道內(nèi)支撐跨中處設(shè)置0.8 m×0.8 m鋼立柱，埋入坑底深8 m，總長24.7 m，縱向由鋼筋混凝土系梁連接.基坑共分7次開挖，放坡系數(shù)為1∶1，距離基坑邊緣3 m.先由機械開挖至槽底設(shè)計標(biāo)高500 mm以上，然后采用人工(或人工加機械)清土至要求基底標(biāo)高，采用挖掘機直接挖土裝車外運，依次進行，最后進行驗槽.

2 模型建立

2.1 模型尺寸

選取車站基坑21.3 m標(biāo)準(zhǔn)寬度，由鉆孔剖面圖獲悉該處土層呈傾斜分布，基坑有限元模型如圖1所示，共包括9 056個單元，8 714個節(jié)點，基坑開挖深度為17.7 m.考慮模型尺寸大小受邊界效應(yīng)的影響，根據(jù)有關(guān)基坑開挖影響范圍經(jīng)驗值及相關(guān)研究的建議[15-16]：模型左右寬度各取3倍開挖深度，即54 m，總寬度為129.3 m；土層深度方向取2倍開挖

深度，即36 m，模型總高度53.7 m.在已劃分完成的土層2D網(wǎng)格上采用“析取”功能建立鉆孔灌注樁、立柱及支撐等1D梁單元.土層開挖通過“鈍化”網(wǎng)格來完成，鉆孔灌注樁等的施加是通過“激活”如上析取的1D梁單元來實現(xiàn)的.考慮巖土計算空間假定為半無限空間，邊界條件為底部設(shè)置水平和豎直方向約束，兩個側(cè)面設(shè)置水平方向約束.

圖1 有限元模型(單位:m)Fig.1 Finite element model (unit:m)

2.2 材料參數(shù)

表2 土層物理力學(xué)參數(shù)

2.3 計算工況

結(jié)合基坑開挖和支護施工過程中所有工序，模型中土層開挖及支護結(jié)構(gòu)施作過程如下：

工況1：初始地應(yīng)力平衡，位移清零.

工況2：施作鉆孔灌注樁.

工況3：全斷面開挖至-1 m，施作第一道混凝土支撐和立柱；同時放坡拉槽開挖中間土層至-3.5 m.

工況4：開挖工況3剩余兩側(cè)土體，同時放坡拉槽開挖中間土層至-6 m.

工況5：開挖工況4剩余兩側(cè)土體，同時放坡拉槽開挖中間土層至-8.3 m.

工況6：開挖工況5剩余兩側(cè)土體，施作第一道鋼支撐；同時放坡拉槽開挖中間土層至-10.8 m.

工況7：開挖工況6剩余兩側(cè)土體，同時放坡拉槽開挖中間土層至-13.3 m.

工況8：開挖工況7剩余兩側(cè)土體，施工第二道鋼支撐；同時放坡拉槽開挖中間土層至-15.8 m.

工況9：開挖工況8剩余兩側(cè)土體，放坡拉槽開挖中間土層至-17.7 m.

工況10：開挖工況9剩余兩側(cè)土體至標(biāo)高-17.7 m，施作底板.

表3 支護結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 基坑模型位移分析

3.1.1 地層豎向位移

提取基坑開挖各工況下豎向位移云圖如圖2所示，位移最大值隨工況的變化棉棒圖如圖3所示，其中，(+)代表位移向上，(-)代表位移向下.由云圖2和棉棒圖3可知，鉆孔灌注樁的施作使得樁周土體沿著豎直方向有2.5 mm的豎向沉降；在各工況下，豎向位移最大值出現(xiàn)在坑底，表現(xiàn)出坑底隆起現(xiàn)象.且隨著基坑開挖深度的增加，坑底隆起不斷增大，最后一層土中間拉槽開挖完成后隆起值達到28.9 mm，之后施作1 m厚的底板，坑底隆起有所降低.圖3中的轉(zhuǎn)折點足以說明，砂卵石地層基坑開挖至設(shè)計標(biāo)高后及時有效地施作底板對于抑制坑底隆起具有重要作用.

圖2 基坑豎直方向位移云圖Fig.2 Vertical displacement cloud diagrams of foundation pit

圖3 豎向位移最大值隨工況變化棉棒圖Fig.3 Cotton stick diagram of the maximum vertical displacement changing with working conditions

3.1.2 灌注樁水平位移

灌注樁樁身的水平方向位移可反映基坑橫向凈空間大小和基坑安全性，提取各工況沿樁身方向的水平位移，左側(cè)鉆孔灌注樁水平位移如圖4所示，右側(cè)鉆孔灌注樁水平位移如圖5所示.由圖4和圖5可知，左右側(cè)鉆孔灌注樁的水平位移曲線表現(xiàn)出較好的對稱性，隨著基坑開挖深度的增加，圍護樁樁身的水平位移值不斷增大.同時樁身水平位移最大值點隨開挖深度而下移，基坑開挖完成后，最終位移最大值約位于樁長的二分之一處，左側(cè)灌注樁的水平位移最大值為2.25 mm，位于樁身埋深11.8 m處；右側(cè)灌注樁的水平位移最大值為2.94 mm，位于樁身埋深10.8 m處，出現(xiàn)上述左右側(cè)樁水平位移值不相等的原因，在于模型地層是一種傾斜層狀結(jié)構(gòu)，基坑右側(cè)土體較左側(cè)相對密實，因而施加在右側(cè)灌注樁的土壓力相對較大，導(dǎo)致右側(cè)樁的水平位移值相對左側(cè)樁較大.

圖4 左側(cè)鉆孔灌注樁水平位移Fig.4 Horizontal displacement of the left bored pile

圖5 右側(cè)鉆孔灌注樁水平位移Fig.5 Horizontal displacement of the right bored pile

3.2 基坑模型應(yīng)力特性分析

基坑開挖完成后土層的Mises應(yīng)力云圖如圖6所示，總剪應(yīng)力云圖如圖7所示.由圖6可知，開挖后土層的Mises應(yīng)力有成層分布特征，地表及基坑底部Mises應(yīng)力數(shù)值相等，為1.21 kPa.由圖7可知，基坑開挖完成后總剪應(yīng)力在基坑兩側(cè)坡腳出現(xiàn)剪應(yīng)力集中分布現(xiàn)象，且左右兩側(cè)對稱，最大值為105.85 kPa，同時由云圖可以看出在電力隧道的兩側(cè)拱肩及兩側(cè)拱腳均出現(xiàn)剪應(yīng)力集中分布，五斗渠水工結(jié)構(gòu)未表現(xiàn)出類似現(xiàn)象.根據(jù)以上分析，基坑結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工時，應(yīng)重點考慮基坑開挖后剪切應(yīng)力對基坑兩側(cè)邊緣、電力隧道的兩側(cè)拱肩及拱腳的影響.

圖6 基坑開挖完成后Mises應(yīng)力云圖Fig.6 Cloud diagram of Mises stress after foundation pit excavation is completed

圖7 基坑開挖完成后總剪應(yīng)力云圖Fig.7 Cloud diagram of total shear stress after foundation pit excavation is completed

提取基坑土層的塑性狀態(tài)分布如圖8所示，等效塑性應(yīng)變云圖如圖9所示.由圖8可知，基坑開挖完成后，土層的塑性狀態(tài)主要分布于基坑兩側(cè)及坑底局部范圍，且左右對稱分布，從地表距基坑邊緣一定距離呈滑弧至基坑底部，同時在電力隧道附近有個別區(qū)域土體進入塑性狀態(tài).在進行基坑開挖施工過程中，應(yīng)避免在地表基坑邊緣一定范圍內(nèi)長時間集中堆放重物或大型重載機械活動甚至有高頻振動施工作業(yè)，防止進入塑性狀態(tài)的土體因附加荷載的施加而達到破壞極限，以至整體發(fā)生失穩(wěn)破壞.同時應(yīng)當(dāng)重點監(jiān)測灌注樁、立柱與坑底交界面處土體的應(yīng)變狀態(tài)，以確?；邮┕ぐ踩?由圖9可知，等效塑性應(yīng)變在灌注樁、立柱與坑底土體交界面附近達到最大，其數(shù)值為7.73e-3，這可能與混凝土結(jié)構(gòu)材料和土體結(jié)構(gòu)材料的剛度差異較大有關(guān).

圖8 塑性狀態(tài)分布圖Fig.8 Distribution of plastic status

圖9 等效塑性應(yīng)變云圖Fig.9 Cloud diagram of equivalent plastic strain

3.3 基坑支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

基坑支護結(jié)構(gòu)的軸力、彎矩、最大彎曲應(yīng)力(組合)云圖如圖10～12所示.由圖10可知，鉆孔灌注樁、三道橫向內(nèi)支撐均承受軸向壓力；立柱在底板以上受軸向壓力呈梯形分布直至底板壓力值達到最大，隨著立柱埋入坑底其軸向壓力不斷減小直至變?yōu)檩S向拉力(拋物線形分布)，軸向拉力最大值為1 241.5 kN.由圖11可知，基坑支護結(jié)構(gòu)的彎矩圖對稱分布，第一道混凝土支撐的彎矩值較二、三道鋼支撐大，最大負彎矩值達-1 402.8 kN·m，位于立柱與第一道支撐連接處；最大正彎矩值為806.1 kN·m，位于第一道支撐兩端.由圖12可知，支護結(jié)構(gòu)組合形式的最大彎曲應(yīng)力云圖也表現(xiàn)出對稱性，最大組合彎曲應(yīng)力在第二、三道支撐的四分之一跨處達到最大，數(shù)值為32.0 MPa.綜合上述支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布云圖可知，支護結(jié)構(gòu)設(shè)計時立柱埋入坑底土體段，因受軸向拉力需要配置相應(yīng)的抗拉構(gòu)件，施工中底板以下的抗拔樁應(yīng)滿足抗拉要求.針對第一道支撐兩端、跨中與立柱連接部位彎矩較大，應(yīng)重點設(shè)置抗彎構(gòu)件.

圖10 支護結(jié)構(gòu)軸力Fig.10 Axial force of support structure

圖11 支護結(jié)構(gòu)彎矩Fig.11 Bending moment of support structure

圖12 支護結(jié)構(gòu)最大彎曲應(yīng)力(組合)Fig.12 Maximum combined bending stress of supportstructure

4 結(jié)論

1) 深基坑先拉槽中間再放坡開挖兩側(cè)時，豎向位移最大值出現(xiàn)在坑底，且有坑底隆起現(xiàn)象.隨著分層開挖深度的增加，坑底隆起不斷增大，同時灌注樁身水平位移最大值位置隨著開挖深度的增加而下移，基坑開挖完成后，最終位移最大值約位于樁長的二分之一處.

2) 基坑開挖完成后，土層的塑性狀態(tài)區(qū)主要分布于基坑兩側(cè)及坑底局部土體，呈現(xiàn)出左右對稱分布，從地表距基坑邊緣一定距離呈滑弧至基坑底部.施工中應(yīng)當(dāng)重點監(jiān)測灌注樁、立柱與坑底土體交界面處土體的應(yīng)變狀態(tài)，以確?；邮┕ぐ踩?

3) 基坑立柱埋入坑底段，因受軸向拉力需配置抗拉構(gòu)件，施工需重點關(guān)注底板以下的抗拔樁應(yīng)滿足抗拉強度要求.針對第一道支撐兩端、跨中彎矩較大的特點，應(yīng)考慮抗彎構(gòu)件的設(shè)置，在施工中著重開展受力變形監(jiān)測.

鑒于砂卵石地層土體具有顆粒大且粘聚力微弱的特性，圍護樁和立柱結(jié)構(gòu)的施工需深入地層足夠深度，如遇到大的孤石會給樁和立柱結(jié)構(gòu)施工帶來巨大困難，施工中應(yīng)做好相應(yīng)的專項應(yīng)急方案.考慮砂卵石地層的顆粒化特性，采用離散元方法開展卵石地層基坑開挖及支護數(shù)值模擬分析，并與有限元計算結(jié)果進行對比探討.同時，地下水滲流是影響基坑開挖過程及支護結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工的重要影響因素，進一步考慮地下水滲流作用對基坑的影響，將對基坑工程的安全穩(wěn)定具有重要工程價值.